JPS59175166A - アモルファス光電変換素子 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、アモルファス薄膜太陽電池用のアモルファス
光電変換素子の改良に関し、殊に、接合型アモルファス
光電変換素子の製作上、及び光電変換効率等の電気的特
性上の改良に関する。

単結晶光電変換素子に比して低廉化の期待が大きいこと
から、将来に向かって大量に使用されることが見込まれ
るアモルファス薄膜太陽電池用の光電変換素子として、
アモルファス光電変換素子が注目されている。

然して、当初この接合型アモルファス光電変換素子は、
二層構造のｐｎ接合素子として開発されたが、このｐｎ
接合二層構造素子では、入射光に対する光励起キャリア
の発生領域が略ぐ空乏層の範囲に限られるため、光電変
換効率を大きく取ることができない欠点があった。

そこで、従来における改良として、第一層としての２層
と第三層としてのｎ層との間に、中間層乃至第二層とし
てのアモルファス真性半導体層（ｉ層）を介在させ、こ
のアモルファス真性半導体層を光励起キャリア発生領域
として利用しようとする三層構造素子が提案された。

このような三層構造素子では、第１図示のように、中間
層としての第二層中に、その全長に亘って所要の電位傾
きの〈〈りつけ電界乃至組込電界（ｂｕｉｌｔ−ｉｎ　
ｐｏｔｅｎｔｉａｌ）を形成することができれば、この
ｉ層全体を光励起キャリアの発生領域として利用できる
ことになり、アモルファス光電変換素子としての光電変
換効率は、原理的には大きく向上するものとなる。尚、
第一層は第１層というように、以下、他の構成子の符号
と混同を生じないように図面中で分り易い表記のために
用いたギリシャ数字を本説明中でもそのまま用いるもの
とする。

然して、このような三層構造の素子においても、第■、
第ｍ層を構成する材質乃至その物理的、電気的性質に関
しては、従来、こうした三層構造素子もｐｎ接合型から
の発展型であるという考えに拘束され、第ｍ層には当然
のことながらｐ層が、第ｍ層としては同様にｎ層が、夫
々、選択され、この選択自体に疑問が持たれることは殆
どなかった。

また一方、この種のアモルファス光電変換素子の製作の
実際においては、第ｍ層乃至ｎ層は、三層構造の積層過
程中、最後に形成されるのが普通であり、この順番に就
いては従来のみならず、将来的にもここ暫くは変える余
地の無いものと言って良い。

こうして材質上や製造」二の限定に支配されて作成され
た従来のアモルファス薄膜太陽電池を第２図に示すと、
ガラス基板５上に先ず透明電極６を形成した後に、この
透明電極」二にアモルファス光電変換素子１を積層的に
形成して太陽電池８としていた。即ち、透明電極６の上
に、第ｍ層としての２層２、第１Ｉ層としての１層３を
順に積層し、１層３の」二に第ｍ層としての０層４を形
成してアモルファス光電変換素子ｌを構成した後、この
０層４の上に適当な金属膜７をオーミック接触するよう
に形成して、全体としてのアモルファス薄膜太陽電池８
を作成していたのである。入射光■はガラス基板５、透
明電極６を介してｐ層の方からｉ層内に入射する。

然して、このような従来のアモルファス光電変換素子ｌ
においては、以下列挙するような各種の欠点を避けるこ
とができなかったのである。

（１）アモルファス半導体は不純物に関して敏感である
ので、ｐ層、ｉ層、ｎ層の各形成には、夫々個々に専用
の薄膜形成装置を必要とし、更に」１記従来構成ではｎ
層側の電極取出しのために金属薄膜も形成せねばならず
、工程、装置は複雑にならざるを得ない。

（２）ｉ層に対する第ｍ層としては、従来、上述のよう
にｎ型半導体層が選定されていたが、このｎ層には組込
電界が存在しないため、光入射があっても、この部分で
発生した電子・正孔対は分離することなく再結合し、出
力電流として利用することはできない。

（３）ｎ層を形成するためには、現在の所、ＰＨ３等の
猛毒ガスを使用せねばならず、製造工程中に危険な工程
が含まれるものとなる。

本発明は、このような実情に鑑みて成されたもので、上
述した従来例の持つ欠点をことごとく解消したアモルフ
ァス光電変換素子の提供を主目的としたものである。

本発明は、既述した従来における既成概念を打破する所
から始まっている。即ち、本発明では、第１図示のエネ
ルギ・バンド構造の原点に戻り、第１層、第ｍ層の材質
、殊に既述したように、従来の欠点の主要な原因となっ
ていた最後に形成される第ｍ層の性質を、ｎ型半導体層
に限定的に考えることなく、他の材質によっても第１図
示のように所要の組込電界を中間層乃至第１Ｉ層中に存
在させることができないか、そしてまた、製造工程を簡
単化できないか、との発想の下に成されていす る。その結果から先に言うと、本発明は、少なくハ、上
記したようなアモルファス光電変換素子に１おいて最後
に形成される第ｍ層を、中間層乃至第１Ｉ層としてのア
モルファス真性半導体層（ｉ層）の仕事関数φａより小
さな仕事関数φｍを持つ金属により構成したものである
。以下、本発明に至った知見乃至原理を混じえて第３図
以降に則し、本発明の実施例に就き説明する。

アモルファス真性半導体層（ｉ層）に金属層を接合した
場合、当該ｉ層の仕事関数φｄに対して用いた金属層の
仕事関数φｍがφｍくφａの関係にあれば、両層の界面
近傍でのエネルギ・バンドの曲がりは第３図（Ａ）に示
すようになる。図中、Ｅｆはフェルミ・レベルであり、
第１図及び後述の第３図（Ｂ）中にも併示しである。

一方、用いた金属層の仕事関数φｍがφｍ〉φａであっ
た場合には、両層の界面近傍でのエネルギ・バンドの曲
がりは第３図（Ｂ）図示のようになり、先とは逆になる
。この第３図は右左逆であるが、第１図中に対応させて
考えて見ると、第３図（Ａ）の場合、即ち、用いる金属
層の仕事関数φｍがｉ層の仕事関数φａより小さければ
、従来のｎ層の代わりにこの条件を満たす金属層を用い
ても第１図示の所期のエネルギ・バンド構造が得られる
ことが分かる。

−ｊ５、通常、用いられているアモルファス真性半導体
層、例えば水素化アモルファス５ｉ（ａ−３ｉ：Ｈ）半
導体層等に対して上述の仕事関数関係を満たす金属とし
ては、結構、豊富にあり、Ｌｉ、Ｂｅ、Ｎａ、Ｍｇ。

Ｋ、Ｃａ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｍｎ、Ｇａ、Ｒｈ、Ｓｒ、Ｙ、
Ｚｒ、Ｎｂ、Ｉｎ、Ｏｓ、Ｂａ、ランタン系、Ｈｆ、Ｔ
Ｉ、Ｐｂ、Ｆｒ、Ｒａ、アクチニウム系等と、それ等を
中心とした合金がある。尚、本発明では、アモルファス
真性半導体は広義であって、微結晶混合相半導体も含む
ものである。

このような知見に基いて、本発明者は、次のような実験
を行なった。

上記した各種の金属の中、簡単に形成できて比較的安定
な金属としてＭｇを選び、アモルファス真性半導体層と
しては上記のａ−３ｉ：Ｈを選んで、この両者の接合が
アモルファス光電変換素子の上記第１Ｉ層と第１層の接
合として機能し得るかを確認するために、第４図示のよ
うに、１層３の他方の電極取出し用としてｎ＋単結晶半
導体層１１上に当該１層３を形成し、その」二面にＭｇ
層ｌＯを形成して、この実験素子の電圧−電流特性を調
べた。１層３とｎ＋単結晶半導体層１１は十分、良好な
オーミック接合を成している。

実験素子の電圧−電流特性は第６図示のようになり、黒
点でプロットしたカーブはＭｇ側に負の印加電圧とした
場合、白丸でプロットしたカーブはＭｇ側に正の印加電
圧とした場合で、Ｍｇ側に正の電圧を印加した時に電流
値が飽和していることから、この時にはＭｇ層とｉ層と
の間に逆方向電圧が掛かっていることが分かる。

従って、Ｍｇ層とｉＲの接合のエネルギ・バンド図は第
３図（Ａ）のようになっていることになり、Ｍｇ層を第
１層として用いても、第１図示のアモルファス薄膜太陽
電池用アモルファス光電変換素子として必要なエネルギ
・バンド図は満足されることになる。

更にまた、第５図からは、本発明によるｉ層と金属層と
してのＭｇ層とのオーミック接合部には十分、大きな電
流が流し得ることも分かり、然も、この許容電流値は、
従来、報告されているｉ層とｎ士卒導体層とで形成され
るオーミック接合における許容電流値よりも大きいので
、結局、本発明に即したＭｇ層とｉ層とのオーミック接
合は極めて良好な特性を示す望ましいものであることが
分かる。

以上のような本発明の知見乃至原理に即した一実施例が
第６図に示しである。

この実施例は、比較的、基本的なものであってガラス基
板５上に透明電極６を形成し、第１層としての２層２を
形成した後、アモルファス真性半導体層（ｉ層）３を形
成する所迄は従来例と同様で良い。

然し、１層３を形成した後には、Ｍｇ層等の適当な、但
し既述の仕事関数関係を満足する金属層１３を第１層と
して積層する。

このようなアモルファス光電変換素子１２、乃至アモル
ファス薄膜太陽電池１４においては、従来必要であった
ｎ層形成用の薄膜形成装置が不要となるため、猛毒なＰ
Ｈ３等の危険なガスを使わないで済み、また、Ｍｇ薄膜
は室温で真空蒸着等により簡単に形成することができる
。

更に、入射光重はガラス基板５の方から本素子内に入射
するが、この入射光が光電変換されながら残った一部が
ｉ層を通過後、金属層に当たると、例えばここで用いた
Ｍｇ膜等は極めて大きな反射率を有するため、ｉ層で吸
収ぎれなかった光は反射されてｉ層中に逆方向に戻され
、再びｉ層による吸収の機会、即ち出力電流発生に寄与
する機会が与えられる。結局、ｉ層の厚味が実効的に二
倍になったのと等価となり、光電変換効率を大きく改善
する上で極めて合理的な結果となる。既述したように、
従来のアモルファス薄■り太陽電池ではｎ層にて吸収さ
れた光による励起キャリアは出力電力に寄与しないこと
を考えると、本発明の有用性は増してや顕かである。

この第６図示の実施例のアモルファス光電変換素子１２
において、２層とｉＨに用いる材質は同じであっても違
っていても良い。同じ例としては、例えば両者にａ−３
ｉ　：Ｈを用いることが考えられ、違う例としては、２
層にはａ−９ｉＣ：Ｈを、対してｉ層にはａ−３ｉ：Ｈ
を、というように、異種のアモルファス半導体を用いる
ことも考えられる。

第７図に、本発明のアモルファス光電変換素子１２のみ
を取出してその外の改変例を挙げて説明すると、先ず、
同図（Ａ）に示すように、アモルファス真性半導体層３
は、複数の積層構造で成っていても良く、簡単に図示の
場合、二層構造として１ も、下層３ａには例えばａ−９ｉ：Ｈを、上層３ｂには
例えばａ−３ｉＧｅ：Ｈ，ａ−３ｉＳｎ：Ｈ，或いは微
結晶混合相半導体の一例としてｇｃ−３ｉ：Ｈを選択的
に選ぶこと等が考えられる。

−に記実施例は、いづれも所謂シングル構造のアモルフ
ァス光電変換素子としての実施例であったが、所謂タン
デム構造のアモルファス光電変換素子にも本発明は応用
できるものである。タンデム構造とは、単位のアモルフ
ァス光電変換素子を適当なピッチで一般に縦方向に積重
ねたもので、このような構造中において、少なく共一つ
の単位のアモルファス光電変換素子部分に本発明を応用
することができ、一般には最端束の単位のアモルファス
光電変換素子への応用が考えられる。第７図（Ｂ）はそ
うした場合の実施例である。

図示の場合、三段構造で示しであるが、下一段、下二段
迄は従来のアモルファス光電変換素子１と同様の構成と
なっており、最」二段に本発明のアモルファス光電変換
素子１２が用いられている。

勿論、各層の材質等の選択は既述したような材質２ 中から任意に選んで差支え無い。様々な組合せがあり、
同図中に最下層２１から最上層１３迄、符号を伺して多
様な材質を用いた場合の具体的な各層の例を挙げてみる
と、層２１にはｐ型ａ−５：Ｇ：Ｈ，層３１には真性ａ
−３ｉＮ、層４１にはｎ型ａ−８ｉ：Ｈ，層２２にはｐ
型ａ−３ｉ：Ｈ，層３２には真性ａ−３ｉ：Ｈ，層４２
には層４１と同じｎ型ａ−９ｉ：Ｈ，層２３には同様に
層２２と同じｐ型のａ−５ｉ：Ｈ，層３３には先に少し
述べた真性ノａ−９ｉＧｅ：Ｈかａ　−Ｓ　＋　Ｓ　ｎ
　：　Ｈ＋或いは微結晶混合層半導体の一例としての真
性のｐＬｃ−３ｉ：Ｈのいづれか、そして、金属層１３
としてはφｍくφａを満たす金属、例えばＭｇ等を選ぶ
ことができる。

更に、本発明の原理的構成に至った第３図に即しての説
明からも顕かなように、第１層に就いても、ｐ型半導体
２に代えて、第３図（Ｂ）から分かるように、真性半導
体層の仕事関数φａに関してそれよりも大きな仕事関数
φｍの金属材料を選ぶこともできる。第７図（Ｃ）にそ
の概略を示すが、第１層２が上記条件を満たす金属材料
２０で構成されている。但し、勿論、本発明は、殊に従
来素子の欠点の根源となっていたｎ層除去にその大きな
目的が有り、且つ要旨的な構成が有るのであって、この
実施例においても他側において任意関数が真性半導体層
３のそれより小ぎな金属層１３が付されていることは必
要な条件である。

ともかくも、以上、詳記のように、本発明によれば、先
に列挙した従来例の欠点（１）乃至（３）がことごとく
解消でき、製作工程も簡略化するし光電変換効率も」−
げられるという極めて合理的な結果を生むことができ、
この種接合型アモルファス光電変換素子乃至はアモルフ
ァス薄膜太陽電池の将来的発展に大いに貢献するもので
ある。

【図面の簡単な説明】

第１図は、アモルファス光電変換素子に望ましいエネル
ギ・バンド構造上の組込電界の説明図、第２図は、従来
のアモルファス光電変換素子を用いたアモルファス薄膜
太陽電池の概略構成図、第３図は、本発明の構成を導く
エネルギ・バンド構造上での考察の説明図、第４図は実
験素子の概略構成図、第５図は、第４図示実験素子の測
定結果の説明図、第６図は本発明の基本的実施例の概略
構成図、第７図は、他の改変例の本発明実施例の概略構
成図、である。 図中、２は第１層、３は真性アモルファス半導体層、１
２は本発明によるアモルファス光電変換素子、１３は金
属層、である。 ５ 第１図 （Ａ） 第１頁の続き ０発　明　者　犬枝秀俊 茨城県新治郡桜村梅園１丁目１ 番４号工業技術院電子技術総合 研究所内 ０発　明　者　秦信宏 茨城県新治郡桜村梅園１丁目１ 番４号工業技術院電子技術総合 研究所内

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 第一層、第二層、第三層を順に積層して成り、」二記第
   二層は真性アモルファス半導体層であると共に、該真性
   アモルファス半導体層には組込電界が形成されるアモル
   ファス光電変換素子において、 」二記第二層としての真性アモルファス半導体層の」二
   に積層される第三層を、該真性アモルファス半導体層に
   オーミ・ンク接触し、且つ、その仕事関数が、」二記真
   性アモルファス半導体層の仕事関数よりも小さな金属層
   から構成したことを特徴とするアモルファス光電変換素
   子。